[发明专利]一种硫/碳气凝胶复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种硫/碳气凝胶复合材料的制备方法，先制备得到OCNF分散液；将OCNF分散液置于盐酸氛围中，密闭条件下静置6～36h，随后取出凝胶，经过有机溶剂置换，冷冻干燥得到OCNF气凝胶；在Ar条件下碳化获得碳气凝胶；将升华硫与碳气凝胶充分研磨混合，在Ar条件下120～200℃预处理使升华硫熔融并充分与碳纤维接触，再升温至250～400℃使硫升华，自然冷却使硫蒸汽冷凝吸附在碳纤维上，得到S/C气凝胶复合材料。本发提供一种新的多孔碳纤维负载单质硫的正极材料制备方法，所得硫/碳气凝胶复合材料具有高比容量和良好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种硫/碳气凝胶复合材料的制备方法。

背景技术

储能技术的需求由于其在电动汽车和智能电网中的未来应用而继续增长。基于插层机制的锂离子电池(LIB)在商业上可行的储能技术中具有最高的能量密度，但正接近理论能量密度的局限性。因此，研究开发高能量密度和成本有效的电池以替代现有的锂离子电池的事情迫在眉睫。在各种电池中，锂硫(Li-S)电池因其理论能量高(2600W hkg^-1)，比容量高(1675mA hg^-1)而备受学术界和全球储能市场的关注。此外，硫还具有明显的优势，如成本效益，环境友好性和丰富的自然资源，使其成为下一代可充电电池的有前途的候选者。但是，关于S阴极存在一些关键问题，因为电导率低，溶解度低以及反应中间体(Li₂S_x，4x≤8)易于扩散到电解质中导致活性物质从阴极连续损失和穿梭效果。循环中硫的高体积膨胀破坏了结构。这些限制归因于容量衰减，库仑效率低和循环稳定性差，这阻碍了锂硫电池的实际应用。

为了解决这些挑战，已经开发了新兴的阴极结构和组成。在各种阴极设计策略中，已经通过碳纳米材料的结构和化学改性探索了多硫化锂(LiPS)的物理和化学限制。S寄主材料的代表性示例包括各种导电碳材料，例如碳纳米纤维，多孔碳，中空碳和多种形式的碳，例如零维，一维，二维和三维碳。由于多孔碳材料的大比表面积(SSA)，高电导率，低成本和化学稳定性，它们被认为是有望用于主体基质以提高S利用率并抑制LiPS穿梭效应的有前途的候选材料。

CN110247043A将粉状米糊分散到浓硫酸中进行脱水碳化，得到含有浓硫酸的多孔碳材料，通过浸泡洗涤至中性去除浓硫酸，在惰性气氛下焙烧，再经球磨获得微纳米多孔碳，该微纳米多孔碳负载硫后作为锂硫电池正极材料。CN110176597A将文冠果壳经脱水干燥后粉碎，添加造孔剂，在惰性气体气氛下高温碳化，得到多孔生物质碳材料；再将多孔生物质碳材料和升华硫以一定的比例研磨混合均匀后，通过热处理加热熔融使硫扩散进碳的孔隙内以获得S/C复合材料作为锂硫电池正极材料。但由于存在碳基材料制备繁琐、孔径尺寸过大不均匀等问题，导致S/C复合材料制备及性能均会受到影响。

发明内容

本发明目的在于提供一种新的多孔碳纤维负载单质硫的正极材料制备方法，所得硫/碳气凝胶复合材料具有高比容量和良好的循环稳定性。

为了达到上述目的，采用技术方案如下：

一种硫/碳气凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)纳米纤维素(OCNF)分散液的制备

将不可直接交联生物质高分子、TEMPO、NaBr加入去离子水中并搅拌均匀，加入NaClO，在NaOH滴定下调节pH在7.5～13之间反应，充分反应后再加入NaBH₄还原或NaClO₂氧化残留的醛基，反应完成后抽滤洗涤至中性，加入去离子水分散处理后得到OCNF分散液；

(2)OCNF气凝胶的制备

将OCNF分散液置于盐酸氛围中，密闭条件下静置6～36h，随后取出凝胶，经过有机溶剂置换，置于冻干机中冷冻干燥，得到OCNF气凝胶；

(3)S/C气凝胶复合材料的制备